Хромосомы, как отдельные структуры, становятся доступными для исследования только после значительной конденсации хроматина, которая наступает во время митоза (в соматических клетках), либо во время мейоза (при образовании половых клеток). Начавшаяся в профазе конденсация хроматина заканчивается в метафазе, поэтому, как правило, хромосомы изучаются на стадии метафазной пластинки.
В метафазе каждая хромосома имеет как бы иксобразную форму и состоит из двух идентичных половин - хроматид (сестринских хромосом), тесно прилежащих друг к другу только в области первичной перетяжки (центромеры). Центромера - это тот участок, где хромосома находится в деконденсированном состоянии, и к ней прикрепляются нити веретена деления. Центромера делит хромосомы на плечи. По положению центромеры выделяют три вида хромосом.
1. Метацентрические, у которых плечи имеют примерно одинаковую длину (т.е. центромера расположена посередине хромосомы).
2. Субметацентрические, у которых центромера смещена от середины, располагается субмедиально и делит хромосому на два плеча неравной длины. Верхнее всегда меньшее.
З. Акроцентрические, у которых центромера расположена почти на конце хромосомы, отделяя от длинного плеча очень короткое верхнее плечо.
Верхние короткие плечи принято обозначать буквой "р", а нижние длинные буквой "q". Характерной чертой для некоторых хромосом является наличие вторичных перетяжек, они возникают в участках неполной конденсации хромосом и располагаются в околоцентромерных участках 1-й, 9-й и 16-й хромосом. Вторичные перетяжки имеются также в 13-15 и 21 -22-й хромосомах, однако здесь они занимают удаленное от центромеры положение, отделяя небольшой концевой участок короткого плеча хромосом в виде спутника. Эти хромосомы называют спутничными.
Совокупность всех метафазных хромосом, расположенных относительно произвольно в экваториальной плоскости клетки, именуется метафазной пластинкой или просто хромосомным набором.
Правила хромосом
1. Правило постоянства числа хромосом — соматические клетки организма каждого вида имеют строго определенное число хромосом (у человека — 46, у кошки — 38, у мушки дрозофилы — 8, у лошадиной аскариды — 2, у собаки — 78, у курицы — 78).
2. Правило парности хромосом — каждая хромосома в соматических клетках с диплоидным набором имеет такую же гомологичную (одинаковую) хромосому, идентичную по размерам, форме, но не одинаковую по происхождению: одну — от отца, другую — от матери.
3. Правило индивидуальности хромосом — каждая пара хромосом отличается от другой пары размерами, формой, которая зависит от расположения центромеры, чередованием светлых и темных полос, которые выявляются при дифференциальной окраске.
4. Правило непрерывности — перед делением клетки ДНК удваиваются: к каждой из двух исходных нитей достраиваются по принципу комплементарности новые нити ДНК, в результате образуются две молекулы ДНК, из которых получаются две сестринские хроматиды. После деления в дочерние клетки попадает по одной хроматиде, таким образом, хромосомы непрерывны: хромосома от хромосомы.
Кариоти́п — совокупность признаков (число, размеры, форма и т. д.) полного набора хромосом, присущая клеткам данного биологического вида (видовой кариотип), данного организма (индивидуальный кариотип) или линии (клона) клеток. Кариотип человека – 46, XX (женский), 46,XY (мужской).
Кариограмма - это те же хромосомы метафазной пластинки, но расположенные упорядоченно. Принцип упорядоченности общий для всего вида и определяется идеограммой.
Идиограмма - это графическое изображение гаплоидного набора хромосом (можно и диплоидного) и расположение их по группам в зависимости от формы и величины. Группы располагаются в порядке уменьшения величины входящих в них хромосом.
Наиболее простой способ окрашивания хромосом красителем Гимза или 2%-ым ацетоорсеином, или 2%-ым ацетокармином. При этом хромосомы окрашиваются целиком, равномерно и интенсивно. Окрашенные таким образом хромосомы, согласно Денверской классификации (I960), располагались в идиограмме в зависимости от их длины и нумеровались по парам от 1 до 23. Тогда же Патау предложил разбить 23 пары хромосом на 7 групп от А до G с учетом расположения центромеры. Важным признаком, уточняющим форму хромосомы, стал центромерный индекс: отношение длины короткого плеча к длине всей хромосомы, выраженное в %. Комплекс этих параметров позволял с немалой степенью точности распределить хромосомы по группам, но идентифицировать их, особенно в группах В, С, D, F и G, было невозможно.
Однако уже при стандартном (рутинном) равномерном окрашивании хромосом замечали, но оставили без внимания, некоторую неоднородность в плотности окрашивания по длине хромосом. И только позже (1968 г.), когда Касперсон с сотрудниками обнаружили, что после обработки акрихин-ипритом флуоресценция по длине хромосом распределена не равномерно, а в виде сегментов, они показали, что каждую хромосому можно надежно идентифицировать с помощью такого метода дифференциального окрашивания, ибо расположение сегментов для каждой хромосомы строго специфично. Вскоре стало ясно, что очень сходный рисунок сегментации хромосом можно получить и с помощью красителя Гимза, дополнив окрашивание некоторыми приемами. Впоследствии при разных способах обработки хромосом были обнаружены разные типы сегментов.
На Парижской конференции по стандартизации и номенклатуре хромосом человека (1971) все полученные к тому времени данные по дифференциальному окрашиванию хромосом были сопоставлены и оказалось, что все методы в принципе выявляют одни и те же структуры, но каждый специфичен в отношении определенных сегментов. И обозначать различные типы сегментов решили по методам, с помощью которых они выявляются.
Q - сегменты - флуоресцирующие после окраски акрихин-ипритом;
G - сегменты (Гимза) - выявляются при окрашивании красителем Гимза в сочетании с дополнительными процедурами; Q и G сегменты идентичны, но в большинстве лабораторий предпочитают этот метод, т.к. он не требует использования флуоресцентного микроскопа и эти препараты дольше хранятся; однако, только с помощью Q-метода можно идентифицировать Y-хромосому человека даже в интерфазном ядре;
R - сегменты - окрашиваются после контролируемой тепловой денатурации, располагаются между Q и G - сегментами;
С - сегменты - конститутивный гетерохроматин, располагается в прицентромерных районах обоих плечей хромосомы;
Т - сегменты - расположены в теломерных (концевых) районах хромосом.
Итак, информация, полученная в результате анализа дифференциально окрашенных хромосом, позволяет представить идиограмму хромосом человека следующим образом:
Группа А, 1-3 хромосомы - большие метацентрические и субметацентрические хромосомы; 1-ая - самая большая метацентрическая, центромерный индекс (ЦИ) 48 - 49%, в длинном плече вблизи центромеры часто обнаруживается вторичная перетяжка; вторая самая большая субметацентрическая ЦИ 38-40%; 3-я -почти на 20% короче 1 -ой, ЦИ 45-46%, метацентрическая.
Группа В, 4 и 5 хромосомы - большие субметацентрические. ЦИ 24-30%, без дифференциального окрашивания друг от друга не отличаются.
Группа С, 6-12 хромосомы и Х-хромосома - средние Субметацентрические хромосомы 6, 7, 8,11 и 12 - относительно субметацентрические, ЦИ - 27-35; 11 и 12 обнаруживают очень сходный рисунок сегментации, однако 11-я хромосома более метацентрическая; в 9-й в длинном плече часто обнаруживают вторичную перетяжку, которая не окрашивается ни акрихином, ни красителем Гимза; Х-хромосома значительно варьирует по длине, в целом сходна с самыми длинными из С-группы, ЦИ - 40,12+2,12, отличить от других при стандартном окрашивании очень трудно.
Группа D, 13-15 хромосомы - акроцентрические, ЦИ около 15 -наименьший в кариотипе человека, все они могут иметь вторичную перетяжку на коротком плече или не иметь, а следовательно, иметь спутники или не иметь, спутники могут быть очень большими, а иногда двойными; короткие плечи этих хромосом содержат ядрышковый организатор.
Группа Е, 16-18 хромосомы - относительно короткие метацентрические и субметацентрические; 16 - ЦИ - около 40, длина вариабельна, в длинном плече в 10% случаев выявляется вторичная перетяжка; 17-я, ЦИ -31; 18-ая хромосома на 5 -10%короче17,ЦИ-26.
Группа F, 19, 20 хромосомы - мелкие метацентрические, ЦИ - 36-46, при стандартной окраске выглядят одинаково, при дифференциальной - резко отличаются.
Группа G, 21, 22, Y-хромосомы - мелкие акроцентрические, ЦИ - 13-33; 21 и 22-ая могут иметь спутники, короткие плечи имеют ядрышковый организатор; Y-хромосома обычно (но не всегда) больше, хроматиды ее длинного плеча, как правило, лежат параллельно одна другой, а у 21 и 22 - ой хромосомы они чаще образуют широкий угол; спутники в Y-хромосоме отсутствуют, ЦИ от 0 до 26. В интерфазных ядрах дистальный участок длинного плеча при окрашивании акрихин-ипритом сильно флуоресцирует и выявляется как яркое пятно, которое называется Y-хроматин.
В соответствии с Парижской номенклатурой в хромосомах идиограммы показан рисунок сегментации (G - Q, R - сегменты) - позитивные светлые G (они же Q) сегменты, негативные темные - R, районы с варьирующей окраской заштриховываются. Латинскими буквами р и q обозначаются соответственно короткое и длинное плечо, в каждом плече выделяются районы, обозначенные арабскими цифрами, районы нумеруются от центромеры к теломерным участкам хромосомы. А уже внутри района выделяются сегменты (англ. bands), обозначенные арабскими цифрами по такому же принципу, т.е. сегмент имеет свой символ, например, 1 q 32 - второй сегмент третьего района в длинном плече 1 -ой хромосомы (при чтении справа налево).
Генетика — наука, изучающая закономерности и материальные основы наследственности и изменчивости организмов, а также механизмы эволюции живого.
Основные этапы развития
Первый этап ознаменовался открытием Г. Менделем (1865) дискретности (делимости) наследственных факторов и разработкой гибридологического метода, изучения наследственности, т. е. правил скрещивания организмов и учета признаков у их потомства. Дискретность наследственности состоит в том, что отдельные свойства и при знаки организма развиваются под контролем наследственных факторов (генов), которые при слиянии гамет и образовании зиготы не смешиваются, не растворяются, а при формировании новых гамет наследуются независимо друг от друга.
Значение открытий Г. Менделя оценили после того, как его законы были вновь переоткрыты в 1900 г. тремя биологами независимо друг от друга: де Фризом в Голландии, К. Корренсом в Германии и Э. Чермаком в Австрии. Результаты гибридизации, полученные в первое-I десятилетие XX в. на различных растениях и животных, полностью подтвердили менделевские законы наследования признаков и показали их универсальный характер по отношению ко всем организмам, размножающимся половым путем. Закономерности наследования признаков в этот период изучались на уровне целостного организма (горох, кукуруза, мак, фасоль, кролик, мышь и др.).
Менделевские законы наследственности заложили основу теории гена — величайшего открытия естествознания XX в., а генетика превратилась в быстро развивающуюся отрасль биологии. В 1901 —1903 гг. де Фриз выдвинул мутационную теорию изменчивости, которая сыграла большую роль в дальнейшем развитии генетики.
Важное значение имели работы датского ботаника В. Иоганнсена, который изучал закономерности наследования на чистых линиях фасоли. Он сформулировал также понятие “популяциям (группа организмов одного вида, обитающих и размножающихся на ограниченной территории), предложил называть менделевские “наследственные факторы” словом ген, дал определения понятий “генотип” и “фенотип”.
Второй этап характеризуется переходом к изучению явлений наследственности на клеточном уровне (питоге-нетика). Т. Бовери (1902—1907), У. Сэттон и Э. Вильсон (1902—1907) установили взаимосвязь между менделевскими законами наследования и распределением хромосом в процессе клеточного деления (митоз) и созревания половых клеток (мейоз). Развитие учения о клетке привело к уточнению строения, формы и количества хромосом и помогло установить, что гены, контролирующие те или иные признаки, не что иное, как участки хромосом. Это послужило важной предпосылкой утверждения хромосомной теории наследственности. Решающее значение в ее обосновании имели исследования, проведенные на мушках дрозофилах американским генетиком Т. Г. Морганом и его сотрудниками (1910—1911). Ими установлено, что гены расположены в хромосомах в линейном порядке, образуя группы сцепления. Число групп сцепления генов соответствует числу пар гомологичных хромосом, и гены одной группы сцепления могут перекомбинироваться в процессе мейоза благодаря явлению кроссинго-вера, что лежит в основе одной из форм наследственной комбинативной изменчивости организмов. Морган установил также закономерности наследования признаков, сцепленных с полом.
Третий этап в развитии генетики отражает достижения молекулярной биологии и связан с использованием методов и принципов точных наук — физики, химии, математики, биофизики и др.—в изучении явлений жизни на уровне молекул. Объектами генетических исследований стали грибы, бактерии, вирусы. На этом этапе были изучены взаимоотношения между генами и ферментами и сформулирована теория “один ген — один фермент” (Дж. Бидл и Э. Татум, 1940): каждый ген контролирует синтез одного фермента; фермент в свою очередь контролирует одну реакцию из целого ряда биохимических превращений, лежащих в основе проявления внешнего или внутреннего признака организма. Эта теория сыграла важную роль в выяснении физической природы гена как элемента наследственной информации.
В 1953 г. Ф. Крик и Дж. Уотсон, опираясь на результаты опытов генетиков и биохимиков и на данные рентгеноструктурного анализа, создали структурную модель ДНК в форме двойной спирали. Предложенная ими модель ДНК хорошо согласуется с биологической функцией этого соединения: способностью к самоудвоению генетического материала и устойчивому сохранению его в поколениях — от клетки к клетке. Эти свойства молекул ДНК объяснили и молекулярный механизм изменчивости: любые отклонения от исходной структуры гена, ошибки самоудвоения генетического материала ДНК, однажды возникнув, в дальнейшем точно и устойчиво воспроизводятся в дочерних нитях ДНК. В последующее десятилетие эти положения были экспериментально подтверждены: уточнилось понятие гена, был расшифрован генетический код и механизм его действия в процессе синтеза белка в клетке. Кроме того, были найдены методы искусственного получения мутаций и с их помощью созданы ценные сорта растений и штаммы микроорганизмов — продуцентов антибиотиков, аминокислот.
В последнее десятилетие возникло новое направление в молекулярной генетике —генная инженерия — система приемов, позволяющих биологу конструировать искусственные генетические системы. Генная инженерия основывается на универсальности генетического кода: триплеты нуклеотидов ДНК программируют включение аминокислот в белковые молекулы всех организмов — человека, животных, растений, бактерий, вирусов. Благодаря этому можно синтезировать новый ген или выделить его из одной бактерии и ввести его в генетический аппарат другой бактерии, лишенной такого гена.
Таким образом, третий, современный этап развития генетики открыл огромные перспективы направленного вмешательства в явления наследственности и селекции растительных и животных организмов, выявил важную роль генетики в медицине, в частности, в изучении закономерностей наследственных болезней и физических аномалий человека.
Наследственность – всеобщее свойство живого в виде способности организмов передавать свои признаки и свойства из поколения в поколение.
Изменчивость – свойство прямо противоположное наследственности – способность организмов приобретать новые признаки и свойства в процес-се индивидуального развития организмов (онтогенеза).
Аллельные (аллеломорфные) гены – гены, определяющие развитие альтернативных признаков.
Гомозигота – организм, у которого в гомологичных хромосомах находятся одинаковые аллельные гены.
Гетерозигота - организм, у которого в гомологичных хромосомах находятся различные аллельные гены.
Доминантный признак — признак, проявляющийся у гибридов первого поколения при скрещивании чистых линий.
Рецессивный признак — признак, не проявляющийся у гетерозиготных особей вследствие подавления проявления рецессивного аллеля.
Альтернативные признаки - это взаимоисключающие дискретные признаки, которые обычно не могут присутствовать у организма одновременно.
Генотип – это система взаимодействующих генов.
Фенотип - совокупность биологических свойств и признаков организма, сложившаяся в процессе его индивидуального развития.
Менделирующие признаки – признак, наследующиеся по законам Менделя.
Для постановки эксперимента при изучении наследования признаков, Г. Менделем был разработан метод гибридологического анализа. Вот ос-новные его свойства:
1) в скрещивании участвуют организмы, принадлежащие к одному виду;
2) изучаемые признаки должны быть взаимоисключающими или контрастными (альтернативными);
3) исходные родительские формы должны быть «чистыми линиями» (гомозиготами) по изучаемым признакам;
4) при изучении закономерностей наследования, необходимо начинать работу с анализа минимума количества признаков, постепенно усложняя эксперимент: родительские особи должны отличаться по одной паре альтернативных признаков → двум парам → небольшому числу пар альтернативных признаков;
5) проводить индивидуальный анализ потомства и при наличии расщепления в поколении необходимо проводить статистический анализ;
6) изучение закономерностей наследования проводится на протяжении нескольких поколений.
Таким образом, гибридологический анализ – это система скрещиваний, позволяющая проследить в ряду поколений характер наследования признаков и выявить новообразования.
Моногибидное скрещивание – родительские особи, взятые для скре-щивания, отличаются одной парой альтернативных признаков.
Дигибридное скрещивание – организмы, взятые для скрещивания, отличаются двумя парами альтернативных признаков.
Анализирующее скрещивание проводится с целью установления ге-нотипа исследуемой особи. Для этого исследуемую особь (?) скрещивают с рецессивной гомозиготой (аа).
Если в F1 наблюдается расщепление 1:1, то исследуемая особь является по генотипу гетерозиготой – Аа.
Если в F1 наблюдается единообразие, то исследуемая особь является по генотипу гомозиготой – АА или аа
1 закон – «Закон единообразия гибридов первого поколения»
При скрещивании родительских особей, отличающихся друг от друга по одной паре альтернативных признаков, все гибриды (потомки) первого поколения (F1) будут единообразны как по генотипу, так и по фенотипу.
Условные обозначе-ния:
А – желтая окраска семян;
а – зеленая окраска
желтые зеленые
P: ♀ AA x ♂ aa
G: A a
F1: Aa – 100% желтые
Гетерозиготы
2 закон – «Закон расщепления»
В ходе дальнейшего скрещивания гибридов первого поколения, во вто-ром поколении (F2) наблюдается расщепление по генотипу 1:2:1, по феноти-пу 3:1.
Условные обозначе-ния:
А – желтая окраска семян;
а – зеленая окраска
желтые желтые
P (F1): ♀ Aа x ♂ Аa
G: A, а А, a
желтые зеленые
F2: АА, Aa, Aa, аa
25% 50% 25%
Цитологические основы выполнения закона расщепления заключаются в том, что в процессе мейоза во время гаметогенеза гомологичные хромосомы, несущие гены исследуемого признака, расходятся в разные половые клетки, унося с собой либо отцовский аллель, либо материнский. В исходной диплоидной материнской клетке (2n) в первом делении мейоза в дочерние клетки расходятся пары гомологичных хромосом, а во втором – хроматиды. В результате мейоза образуются гаплоидные клетки, несущие по одной копии гена каждой хромосомы.
В конце мейоза образуются четыре клетки, две из которых несут отцовскую копию хромосомы, а две – материнскую (рис. 5). Значит, каждая гамета несёт только одну копию данного гена, то есть может содержать лишь один аллель данного гена. Это положение получило название принципа чистоты гамет. Таким образом, цитологической основой закона расщепления является мейоз, гаплоидность и принцип чистоты гамет, а также случайное объединение наследственного материала в зиготе при оплодотворении.
Сам Г. Мендель на основе анализа своих скрещиваний выдвинул гипотезу о том, что рецессивные задатки не исчезают в гетерозиготном организме, а остаются неизменными и вновь проявляются при встрече с такими же рецессивными задатками в последующих поколениях или в анализирующих скрещиваниях.
Позднее У. Бетсон, исходя из этого феномена, сформулировал правило «чистоты гамет», согласно которому наследственные задатки не смешиваются в гетерозиготном организме и расходятся "чистыми" при образовании гамет (в гамету попадает по одному фактору наследственности (аллелю) каждого типа).
Таким образом, у гибридов (гетерозиготных особей) примерно 50% половых клеток несут только доминантный ген (А), остальные – только рецессивный (а). Встреча и слияние двух половых клеток происходит на основании случайности. Каким же окажется потомство двух таких гибридов? Очевидно, что по теории вероятности половина потомства окажется гетерозиготной (Аа и Аа), а половина – гомозиготной (АА и аа). Но только четверть потомства, несущая гены аа, проявит рецессивный признак. Отсюда и открытое Менделем соотношение "три к одному".